סינתזה וביקוע: מה ההבדל?
היתוך וביקוע הם תהליכים שונים להפקת אנרגיה גרעינית.
אנרגיה זו המיוצרת על ידי גרעיניביקוע, נלכד בתוך כורים ומשמש לחימום מים לאדים, אשר הופך טורבינה ומייצר חשמל. אך תהליך זה יוצר פסולת שיכולה להישאר רדיואקטיבית במשך מיליוני שנים. המצב בכורים בפוקושימה ובצ'רנוביל הראה כיצד זה יכול להתברר.
מצד שני, היתוך תרמו גרעיני לא יובילליצירת פסולת גרעינית ארוכת טווח, וניתן למחזר את החומרים הדרושים תוך 100 שנה. אין גם סכנת תאונה, מכיוון שהתהליך מבוסס על תגובות בטמפרטורה גבוהה שעוצרות תוך שניות ספורות אם התקלה בציוד. ומכיוון שתגובות אלו משתמשות בכמות דלק קטנה יחסית, אין סכנה להשתמש בהן לייצור נשק גרעיני.
בתחום מחקר היתוך גרעיני, ישנםמדענים השואפים למטרה אחת - לשחזר את התהליכים שמשמשת עצמה מייצרת כמויות אדירות של אנרגיה. כוחות כבידה עצומים לוכדים מימן מאטמוספירת השמש ומשתמשים בחום ולחץ עז להמרת הגז לפלזמה. בו גרעינים מתנגשים במהירות גבוהה ויוצרים הליום ומשחררים אנרגיה.
גורם מפתח נוסף הוא כוח הכבידה.כוחות הכבידה העצומים של השמש גדולים פי 28 בערך מאשר כאן על כדור הארץ. מדענים נאלצו להיות יצירתיים בהגבלת הדלק לתגובות היתוך גרעיני. הגישה המועדפת ביותר כפי שהיא נראית כעת היא להשתמש בשדות מגנטיים, שניתן להשתמש בהם כדי להחזיק שתי צורות כבדות של מימן, דאוטריום וטריטיום, במכשיר הנקרא טוקאמק.
טוקמאק - תקוות גדולות
המילה "טוקאמק" עצמה היא כלוםאינו מציין הוא רק קיצור, שהפך מאוחר יותר למילה מלאה. הוא משמש לא רק ברוסיה, אלא גם בחו"ל, שכן בארצנו הומצא הדבר הזה וכאן הם התפתחו באופן פעיל במשך זמן רב.
Tokamak הוא תא טורואידי עם סלילים מגנטיים. זה הכל.
המהות של טוקאמק מסתכמת ביצירהשדה מגנטי שבו תתרחש תגובת ההיתוך התרמו-גרעיני. מכיוון שהטמפרטורה של תגובה כזו היא לא רק גבוהה, אלא ממש אוסרת (כמה מיליוני מעלות צלזיוס), היא לא יכולה להתבצע פשוט בתוך תא כלשהו - היא תימס הרבה לפני הגעה לטמפרטורת הפעולה.
טמפרטורה זו מושגת בשל העובדה כיבתוך הטוקמק, החומר נמצא במצב צבירה רביעי, אשר מושג בטמפרטורות כה גבוהות. מצב זה נקרא פלזמה, על פני כדור הארץ, פלזמה בסביבה הטבעית נמצאת רק בברק ובזוהר הצפוני, בחלל, ממש הכל מורכב ממנה - כוכבים, ערפיליות, חלל בין-כוכבי.
בתוך הבניין שיאכלס הכור הגדול ביותר בעולם בטוקמאק.
הראשון שהציע שימוש בתרמו גרעיןהסינתזה, כולל למטרות תעשייתיות, הייתה הפיזיקאי הסובייטי O.A. לברנטייב. הוא עשה זאת בעבודתו משנת 1950. זה היה עם עבודתו המחקר של דרכים להשתמש היתוך תרמו גרעיני.
שנה לאחר מכן, פיזיקאים אחרים - א.ד.סחרוב ואי.אי. תמם - פיתח את הרעיון ואמר שצריך לשמור על התגובה התרמו-גרעינית בתוך תא סגור. כדי ליצור שדה מגנטי בתוך הטוקמק, הוא מורכב מקטעים עם סלילים כרוכים בתוכם. מכיוון שהם עוברים לכל אורך החדר ויוצרים משהו כמו מנהרה סגורה, השדה המגנטי שנוצר נקרא טורואידי. זהו אזור העבודה של ההתקנה.
בתוך טוקמאק המוליך הסיני המתקדם בניסוי (EAST).
כשהתא מלא, הוא יוצרשדה חשמלי מערבולת ששומר על הפלזמה בתוך החדר, ובמקביל מחמם אותה, ומביא אותה לאותה טמפרטורה של כמה מיליוני מעלות.
מאחר והשדה והחימום נוצרים עקב הגדלת הזרם במשרן, אבל זה לא יכול לגדול ללא הגבלת זמן, אורך החיים של הפלזמה במצב יציב עדיין לא עולה על מספר שניות. זו הסיבה העיקרית לכך שאיננו יכולים עדיין להשתמש בטוקמקים כמקור לייצור אנרגיה תעשייתית. ישנן דרכים לפתור בעיה זו, כולל שימוש בקרינת מיקרוגל, אך עד כה העבודה בכיוון זה עדיין מתנהלת.
אנשים רבים פועלים כדי להשיג זאתמטרות, יש תקוות גדולות במכשיר הדור הבא שנמצא כעת בשלבי בנייה. ITER, או הכור הניסויי התרמו-גרעיני הבינלאומי, הוא אחד מפרויקטי האנרגיה השאפתניים ביותר שהאנושות ביצעה אי פעם, בהשתתפות מדענים ומהנדסים מ-35 מדינות. כשיושלם בשנת 2025, זה יהיה מכשיר ההיתוך הגרעיני הגדול בעולם.
למרות שרוב השאיפות של האנושותבתחום ההיתוך הגרעיני הקשור ל-ITER, יש הזדמנויות מרגשות אחרות. כולל כור תרמו-גרעיני נוסף עם כליאה מגנטית - כוכבית.
כוכב - חיקוי כוכב
כמו טוקאמקים, כוכבי כוכבים נועדו לכךמכיל זרמי פלזמה בתא סגור באמצעות סלילים מגנטיים, אך עם כמה הבדלים מרכזיים. במקום צורה נחמדה וסימטרית של סופגניה, הכוכב שולח פלזמה החוצה למעגלים לא סדירים שמסתובבים ומסתובבים באמצעות סדרה מורכבת להפליא של סלילים מגנטיים. זה נראה מנוגד לאינטואיציה, אבל זה למעשה יוצר יציבות גדולה יותר בפלזמה בגלל הבדלים בזרם הפנימי, כותב New Atlas.
כשלעצמו, כוכב הוא סוג של כור עבוריישום מיזוג תרמו -גרעיני מבוקר. השם בא מלייט. stella - star, מציין את הדמיון בין התהליכים המתרחשים בכוכב הכוכבים ובתוכו. הומצא על ידי הפיזיקאי האמריקאי ל 'שפיצר בשנת 1950, אב הטיפוס הראשון נבנה בהנהגתו בשנה שלאחר מכן כחלק מפרויקט מטרהורן הסודי.
Wendelstein 7-X (W7-X)-ניסיוניהתקנה למחקר פלזמה בטמפרטורה גבוהה, הממוקמת בעיר גרייפסוולד בגרמניה. בנייתו בוצעה על ידי מכון מקס פלאנק לפיזיקת פלזמה בין השנים 2005 ל -2014. מטרת המתקן היא לבדוק את התאמתו התעשייתית של כור היתוך מסוג כוכבים, כמו גם לחקור ולשפר רכיבים וטכנולוגיות בתחום ההיתוך התרמו-גרעיני מבוקר.
בכורי היתוך כאלהלתא הטורואיד יש צורה מורכבת ומתפתלת, וכך גם השדות המגנטיים שנוצרו סביבו. עיצוב יוצא דופן זה, על פי התיאוריה, עוזר לכורים כאלה לפעול במצב רציף, ולהוציא הרבה פחות אנרגיה מכורים "אפילו" רגילים. כורים מסוג טוקאמק. בנוסף, התצורה המורכבת של השדה המגנטי מאפשרת להכיל פלזמה בטמפרטורה גבוהה באופן מהימן, מה שמפחית את הסיכון למגע שלה עם הקירות הפנימיים של תא הכור. עם זאת, ליתרונות כאלה יש מחיר, שטמון במורכבות התכנון והייצור של הכור עצמו.
בדצמבר 2017, W7-X השלים את השני שלושלב הניסויים בו נעשה שימוש במערכות חימום ומדידה פלזמה משופרות. האלמנט העיקרי שנבדק בשלב השני היה מערכת הסרת החום, שפעולתה לא אמורה להשפיע על חוט הפלזמה. כלי זה מורכב משרשרת של מגנטים היוצרים שדות מגנטיים מורכבים, הגורמים לפלזמה לעבור קרוב ל-10 לוחות של גוף קירור. כל סטייה של השדות המגנטיים גוררת סטיה של חוט הפלזמה, מה שמוביל להתחממות יתר של הלוחות ולקירור יתר והרס של חוט הפלזמה.
עבודת האלקטרומגנטים, היוצרים שדה מגנטי, נשלטת על ידי מערכת בקרה מורכבת שמשתמשת בפידבקים רבים.
מכיוון שכוכבים אינם דורשים כל כך הרבהזרם פנימי ומציע מטבעו יציבות רבה יותר מטוקמאקים, Hole אומר שהם בהחלט מתאימים יותר להנעת הרשת. אך זה בתנאי שניתן לבנות את התשתית המורכבת להפליא בצורה זולה ובאותם אילוצים, מה שלא כך במתכונתה הנוכחית.
שימור אינרציאלי הוא גישה רדיקלית
בנוסף לאזור הכליאה המגנטית,גישות אחרות לאיחוי גרעיני הנמצאות תחת הכליאה של אינרציה. היתוך תרמו -גרעיני מבוקר אינרציה הוא אחד מסוגי ההיתוך התרמו -גרעיני, שבו הדלק התרמו -גרעיני מוחזק על ידי כוחות האינרציה שלו. הרעיון הוא לחמם במהירות ובאחידות את הדלק התרמו -גרעיני, כך שלפלזמה המתקבלת יהיה זמן להגיב לפני הפיזור. לפיכך, בעת שימוש בעקרון זה, הכור יקופח. קו מחקר חדש זה בהיתוך גרעיני כרוך בשימוש בקרני לייזר או יונים ממוקדות מאוד לחימום מהיר של גלולת דלק שתורכב מדוטריום וטריטיום.
הרעיון הוא שההשפעה על אלהכדורי דלק חימום פתאומי ואלים כזה יגרום לכוחות דחיסה עצומים המפעילים תגובת שרשרת דרך שכבות החומר בהן יכול להתרחש היתוך גרעיני, ומשחרר כמויות עצומות של אנרגיה. אוסטרליה מבוססת HB11 אנרגיה מחפשת להיפטר מהמתכון המסורתי לדוטריום וטריטיום לטובת גישה לא רדיואקטיבית הכוללת מימן ובורון- b11.
גלולה קטנה של דלק בורון מימןממוקם בכדור גדול ונפגע משני לייזרים בו זמנית כדי להפעיל תגובת היתוך המייצרת חשמל ישירות ללא שימוש בטורבינות קיטור.
החברה טוענת להימנע מבעיות רבות,שחיפשו היתוך גרעיני במשך עשרות שנים, בעיקר בגלל שהוא לא מנסה לחמם את הדלק שלו לטמפרטורות גבוהות בטירוף. הוא חושף את כדורי הדלק שלו לשני לייזרים, האחד כדי ליצור שדה כליאה מגנטי והשני כדי לעורר תגובת שרשרת של היתוך מימן ובור שיוצר חלקיקים שיכולים בתורם ליצור זרם חשמלי.
לדברי מומחים, זרם זה יכול להיות כמעטישירות למערכת החשמל הקיימת. לא יהיה צורך במחולל טורבינת קיטור או במחליף חום, ולא יהיה סיכון להתכה. הצוות מאוד אופטימי לגבי הטכנולוגיה שלו ואומר שהניסויים שלו מראים מהירויות תגובה טובות פי מיליארד מהצפוי ומאמין שתוכנית הפיתוח שלו תהיה הרבה יותר מהירה וזולה מגישות אחרות.
האנרגיה שמשתחררת כתוצאה מכךתגובה, מסוגלת לחמם את הדלק שמסביב, ואם הטמפרטורה גבוהה מספיק, היא יכולה גם להתחיל תגובה תרמו -גרעינית. מטרת התקנות כאלה היא היכולת להשיג "בעירה" תרמו -גרעינית, כאשר תהליך שחרור החום גורם לתגובת קישור המשפיעה על חלק משמעותי מהדלק. כדור דלק אופייני הוא בגודל של ראש סיכה ומכיל כ -10 מיליגרם דלק. בפועל, רק חלק קטן מדלק זה יכול לשמש בתגובה תרמו -גרעינית, אך אם כל הדלק הזה ישתמש, הוא ישחרר אנרגיה המקבילה לשריפת חבית נפט.
"זה מדע מעניין," אמר מתיו הול,מומחה להיתוך גרעיני וחוקר באוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה שמכיר את HB11 ו חוקרים שעובדים על הפרויקט ב אטלס החדש - אבל לא לא אומר שיש הוכחות משכנעות שאתה תוכל להפוך אותו למפעל קנה מידה מהיר יותר מאשר ITER או כליאה מגנטית טורואידאלית."
לדברי Houle, הבעיה העיקרית עם כאלההגישה היא שתגובות אלו מתרחשות כהרף עין. כדי שהטכנולוגיה תיושם בתחנת כוח מעשית, היא חייבת להתפתח מתגובות קצרות טווח וחד פעמיות למשהו שמייצר אספקה מתמדת של אנרגיה, כמו אש בוערת.
קמצוץ Z - סוס כהה
עוד דוגמה מעניינת לגישה האינרציאליתהסתגרות להיתוך גרעיני היא צביטה ב-Z. בחקר אנרגיית היתוך, מדובר בסוג של מערכת כליאה פלזמה המשתמשת בזרם חשמלי בפלזמה כדי ליצור שדה מגנטי שדוחס אותה.
במילים אחרות, במקום להשתמשסלילים מגנטיים גדולים ומורכבים כדי להחזיק זרמי פלזמה במקום, גישה המשתמשת בשדה אלקטרומגנטי שנוצר בתוך הפלזמה עצמה. אנו יכולים לומר שזהו הסוס האפל במירוץ ההיתוך הגרעיני. מאז הקמתו בשנות החמישים, אפקט הצביטה הבטיח תצורה פשוטה יותר מטוקמקים או כוכבים. אבל כמו המכשירים האלה, זה גם נתון לחוסר יציבות בפלזמה המשתרעת מעבר לקווי השדה המגנטי.
מערכת שימור Z- צביטה באוניברסיטת וושינגטון
מדענים מאוניברסיטת וושינגטון העלודרך להחליק את הבליטות הללו היא על ידי התאמת ההידרודינמיקה בפלזמה. למרות שפתרון מבטיח לבעיית האנרגיה, כמו גישת הלייזר HB11, הצביטה Z עדיין מתמודדת עם אתגרים גדולים בכל הנוגע לאספקת כוח רציף. הבעיה היא שזה גם אימפולסיבי באופיו.
מה השורה התחתונה?
ITER, כליאה מגנטית טורואידליתו עיצוב טוקאמק הם ללא ספק המתקדמים ביותר. עם זאת, חוקרי היתוך גרעיני משתמשים בגישות שונות, שלכל אחת יתרונות וחסרונות משלה. למרבה הצער, ללא קשר לגישה, התהליך עדיין דורש יותר אנרגיה ממה שהוא מחזיר. אבל פתרון בעיות ההנדסה והפיזיקה הללו כדי לייצר אנרגיה נקייה, קשה להפליא ככל שיהיה, יהיה אחד ההישגים הגדולים ביותר של האנושות.
קרא עוד
המפה המדויקת הראשונה של העולם נוצרה. מה רע בכולם?
קרינה אינפרא-אדום מידי אדם שימשה להצפנה
אוראנוס קיבל את מעמדו של כוכב הלכת המוזר ביותר במערכת השמש. למה?
טורוס (טורואיד) - הוא נפחהצורה הנובעת מסיבוב הטבעת סביב מרכז הסיבוב. דוגמאות גסות לטורוס יהיו סופגנייה, בייגל או צינור אופניים שהוסר מהגלגל.